焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個(gè)方面：

      ① 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材，而承受交變動(dòng)載荷時(shí)，其承受能力卻遠(yuǎn)低于母材，而且與焊接接頭類(lèi)型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過(guò)早失效的一個(gè)主要的因素；

      ② 早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜載強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，沒(méi)有考慮抗疲勞設(shè)計(jì)，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來(lái)設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭；

      ③ 工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點(diǎn)了解不夠，所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式；

      ④ 焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷越來(lái)越大； 

      ⑤ 焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，而對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面的科研水平相對(duì)滯后。

2.1 靜載強(qiáng)度對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響

      在鋼鐵材料的研究中，人們總是希望材料具有較高的比強(qiáng)度，即以較輕的自身重量去承擔(dān)較大的負(fù)載重量，因?yàn)橄嗤亓康慕Y(jié)構(gòu)可以具有極大的承載能力；或是同樣的承載能力可以減輕自身的重量。所以高強(qiáng)鋼應(yīng)運(yùn)而生，也具有較高的疲勞強(qiáng)度，基本金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨著靜載強(qiáng)度的增加而提高。

     但是對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，情況就不一樣了，因?yàn)楹附咏宇^的疲勞強(qiáng)度與母材靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬?gòu)?qiáng)度匹配沒(méi)有多大的關(guān)系，也就是說(shuō)只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣，高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲勞強(qiáng)度是一樣的，具有同樣的S-N曲線，這個(gè)規(guī)律適合對(duì)接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭型式。Maddox研究了屈服點(diǎn)在386-636MPa之間的碳錳鋼和用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對(duì)裂紋擴(kuò)展速率有一定影響，但影響并不大。在設(shè)計(jì)承受交變載荷的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，試圖通過(guò)選用較高強(qiáng)度的鋼種來(lái)滿(mǎn)足工程需要是沒(méi)有意義的。只有在應(yīng)力比大于+0.5的情況下，靜強(qiáng)度條件起主要作用時(shí)，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)鋼。

      造成上述結(jié)果的原因是由于在接頭焊趾部位沿溶合線存在有類(lèi)似咬邊的熔渣楔塊缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半徑小于0.015mm。該尖銳缺陷是疲勞裂紋開(kāi)始的地方，相當(dāng)于疲勞裂紋形成階段，因而接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命，主要由疲勞裂紋的擴(kuò)展階段決定。這些缺陷的出現(xiàn)使得所有鋼材的相同類(lèi)型焊接接頭具有同樣的疲勞強(qiáng)度，而與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。

2.2 應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

2.2.1 接頭類(lèi)型的影響

      焊接接頭的形式主要有：對(duì)接接頭、十字接頭、T形接頭和搭接接頭，在接頭部位由于傳力線受到干擾，因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

     對(duì)接接頭的力線干擾較小，因而應(yīng)力集中系數(shù)較小，其疲勞強(qiáng)度也將高于其他接頭形式。但實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度在很大范圍內(nèi)變化，這是因?yàn)橛幸幌盗幸蛩赜绊憣?duì)接接頭的疲勞性能的緣故。如試樣的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊條類(lèi)型、焊接位置、焊縫形狀、焊后的焊縫加工、焊后的熱處理等均會(huì)對(duì)其發(fā)生影響。具有永久型墊板的對(duì)接接頭由于墊板處形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低了接頭的疲勞強(qiáng)度。這種接頭的疲勞裂紋均從焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲勞強(qiáng)度—般與不帶墊板的最不佳外形的對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度相等。

     十字接頭或T形接頭在焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在這種承力接頭中，由于在焊縫向基本金屬過(guò)渡處具有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)要比對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此十字或T形接頭的疲勞強(qiáng)度要低于對(duì)接接頭。對(duì)未開(kāi)坡口的用角焊縫連接的接頭和局部熔透焊縫的開(kāi)坡口接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其疲勞斷裂可能發(fā)生在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上，即基本金屬與焊縫趾端交界處或焊縫上。對(duì)于開(kāi)坡口焊透的的十字接頭，斷裂一般只發(fā)生在焊趾處，而不是在焊縫處。焊縫不承受工作應(yīng)力的T形和十字接頭的疲勞強(qiáng)度主要取決于焊縫與主要受力板交界處的應(yīng)力集中，T形接頭具有較高的疲勞強(qiáng)度，而十字接頭的疲勞強(qiáng)度較低。提高T形或十字接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開(kāi)坡口焊接，并加工焊縫過(guò)渡處使之圓滑過(guò)渡，通過(guò)這種改進(jìn)措施，疲勞強(qiáng)度可有較大幅度的提高。

     搭接接頭的疲勞強(qiáng)度是很低的，這是由于力線受到了嚴(yán)重的扭曲。采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不合理的，由于加大了應(yīng)力集中影響，采用蓋板后，原來(lái)疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了。對(duì)于承力蓋板接頭，疲勞裂紋可發(fā)生在母材，也可發(fā)生在焊縫，另外改變蓋板的寬度或焊縫的長(zhǎng)度，也會(huì)改變應(yīng)力在基本金屬中的分布，因此將要影響接頭的疲勞強(qiáng)度，即隨著焊縫長(zhǎng)度與蓋板寬度比率的增加，接頭的疲勞強(qiáng)度增加，這是因?yàn)閼?yīng)力在基本金屬中分布趨于均勻所致。

2.2.2 焊縫形狀的影響

      無(wú)論是何種接頭形式，它們都是由兩種焊縫連接的，對(duì)接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同，其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同，從而疲勞強(qiáng)度具有較大的分散性。

     對(duì)接焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度影響最 大。 

     (1) 過(guò)渡角的影響：Yamaguchi等人建立了疲勞強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過(guò)渡角(外鈍角)的關(guān)系。試驗(yàn)中W(焊縫寬度)和h(高度)變化，但h/W比值保持不變。這意味著夾角保持不變，試驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞強(qiáng)度也保持不變。但如果W保持不變，變化參量h，則發(fā)現(xiàn)h增加，接頭疲勞強(qiáng)度降低，這顯然是外夾角降低的結(jié)果。

     (2) 焊縫過(guò)渡半徑的影響：Sander等人的研究結(jié)果表明焊縫過(guò)渡半徑同樣對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度具有重要影響，即過(guò)渡半徑增加(過(guò)渡角保持不變)，疲勞強(qiáng)度增加。

     角焊縫的形狀對(duì)于接頭的疲勞強(qiáng)度也有較大的影響。

     當(dāng)單個(gè)焊縫的計(jì)算厚度a與板厚B之比a/B<0.6～0.7時(shí)，一般斷裂于焊縫；當(dāng)a/B>0.7時(shí)，一般斷于基本金屬。但是增加焊縫尺寸對(duì)提高疲勞強(qiáng)度僅僅在一定范圍內(nèi)有效。因?yàn)楹缚p尺寸的增加并不能改變另一薄弱截面即焊趾端處基本金屬的強(qiáng)度，故充其量亦不能超過(guò)該處的疲勞強(qiáng)度。Soete，Van Crombrugge采用15mm厚板用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞載荷下的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫的焊腳為13mm時(shí)，斷裂發(fā)生在焊趾處基本金屬或焊縫中。當(dāng)焊縫的焊腳小于此值時(shí)，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫上；當(dāng)焊腳尺寸為18mm時(shí)斷裂發(fā)生在基本金屬中。據(jù)此他們提出極限焊腳尺寸：S=0.85B。式中S為焊腳尺寸，B為板厚?？梢?jiàn)縱使焊腳尺寸達(dá)到板厚時(shí)(15mm)，仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果，這一結(jié)果與理論結(jié)果符合得很好。

2.2.3 焊接缺陷的影響

      焊趾部位存在有大量不同類(lèi)型的缺陷，這些不同類(lèi)型的缺陷導(dǎo)致疲勞裂紋早期開(kāi)裂和使母材的疲勞強(qiáng)度急劇下降（下降到80%）。焊接缺陷大體上可分作兩類(lèi)：面狀缺陷(如裂紋、未熔合等)和體積型缺陷（氣孔、夾渣等），它們的影響程度是不同的，同時(shí)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類(lèi)、方向和位置有關(guān)。

     1) 裂紋：焊接中的裂紋，如冷、熱裂紋，除伴有具有脆性的組織結(jié)構(gòu)外，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源，它可大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲勞強(qiáng)度。早期的研究己表明，在寬60mm、厚12.7mm的低碳鋼對(duì)接接頭試樣中，在焊縫中具有長(zhǎng)25mm、深5.2mm的裂紋時(shí)(它們約占試樣橫截面積的10%)，在交變載荷條件下，其2×106循環(huán)壽命的疲勞強(qiáng)度大約降低了55%~65%。

      2) 未焊透：應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，不一定把未焊透均認(rèn)為是缺陷，因?yàn)橛袝r(shí)人為地要求某些接頭為周部焊透，典型的例子是某些壓力容器接管的設(shè)計(jì)。未焊透缺陷有時(shí)為表面缺陷（單面焊縫），有時(shí)為內(nèi)部缺陷(雙面焊縫)，它可以是局部性質(zhì)的，也可以是整體性質(zhì)的．其主要影響是削弱截面積和引起應(yīng)力集中。以削弱面積10%時(shí)的疲勞壽命與未含有該類(lèi)缺陷的試驗(yàn)結(jié)果相比，其疲勞強(qiáng)度降低了25%，這意味著其影響不如裂紋嚴(yán)重。

      3) 未熔合：由于試樣難以制備，至今有關(guān)研究極其稀少。但是無(wú)可置疑，未熔合屬于平面缺陷，因而不容忽視，一般將其和未焊透等同對(duì)待。

      4) 咬邊：表征咬邊的主要參量有咬邊長(zhǎng)度L、咬邊深度h、咬邊寬度W。影響疲勞強(qiáng)度的主要參量是咬邊深度h，目前可用深度h或深度與板厚比值(h/B)作為參量評(píng)定接頭疲勞強(qiáng)度。

      5) 氣孔：為體積缺陷，Harrison對(duì)前人的有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)， 疲勞強(qiáng)度下降主要是由于氣孔減少了截面積尺寸造成，它們之間有一定的線性關(guān)系。但是一些研究表明，當(dāng)采用機(jī)加工方法加工試樣表面，使氣孔處于表面上時(shí)，或剛好位于表面下方時(shí)，氣孔的不利影響加大，它將作為應(yīng)力集中源起作用，而成為疲勞裂紋的起裂點(diǎn)。這說(shuō)明氣孔的位置比其尺寸對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響更大，表面或表層下氣孔具有最不利影響。

      6) 夾渣：IIW的有關(guān)研究報(bào)告指明：作為體積型缺陷，夾渣比氣孔對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響要大。 

      通過(guò)上述介紹可見(jiàn)焊接缺陷對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響，不但與缺陷尺寸有關(guān)，而且還決定于許多其他因素，如表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大，與作用力方向垂直的面狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中同樣缺陷影響大。

2.3 焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

     焊接殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)所特有的特征，因此，它對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響是人們廣為關(guān)心的問(wèn)題，為此人們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)往往采用有焊接殘余應(yīng)力的試樣與經(jīng)過(guò)熱處理消除殘余應(yīng)力后的試樣，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)作對(duì)比。由于焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)也恢復(fù)或部分地恢復(fù)了材料的性能，同時(shí)也由于試驗(yàn)結(jié)果的分散性，因此對(duì)試驗(yàn)結(jié)果就產(chǎn)生了不同的解釋?zhuān)瑢?duì)焊接殘余應(yīng)力的影響也就有了不同的評(píng)價(jià)。

      試舉早期和近期一些人所進(jìn)行的研究工作為例，可清楚地說(shuō)明這一問(wèn)題，對(duì)具有余高的對(duì)接接頭進(jìn)行的2×10⁶次循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，不同研究者得出了不同結(jié)論。有人發(fā)現(xiàn)：熱處理消除應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度比焊態(tài)相同試樣的疲勞強(qiáng)度增加12.5%；另有人則發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和熱處理的試樣的疲勞強(qiáng)度是一致的，即差異不大；但也有人發(fā)現(xiàn)采用熱處理消除殘余應(yīng)力后疲勞強(qiáng)度雖有增加，但增加值遠(yuǎn)低于12.5%等等。對(duì)表面打磨的對(duì)接接頭試樣試驗(yàn)結(jié)果也是如此，即有的試驗(yàn)認(rèn)為，熱處理后可提高疲勞強(qiáng)度17%，但也有的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，熱處理后疲勞強(qiáng)度沒(méi)有提高等。這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期來(lái)使人困惑不解，直到前蘇聯(lián)一些學(xué)者在交變載荷下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，才逐漸澄清了這一問(wèn)題。

      其中最值得提出的是Trufyakov對(duì)在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響的研究。試驗(yàn)采用14Mn2普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，試樣上有一條橫向?qū)雍缚p，并在正反兩面堆焊縱向焊道各一條。一組試樣焊后進(jìn)行了消除殘余應(yīng)力的熱處理，另一組未經(jīng)熱處理。疲勞強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)采用三種應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)r=-1，0，+0.3。 在交變載荷下(r=-1)，消除殘余應(yīng)力試樣的疲勞強(qiáng)度接近130MPa，而未經(jīng)消除殘余應(yīng)力的僅為75MPa，在脈動(dòng)載荷下(r=0)，兩組試樣的疲勞強(qiáng)度相同，均為185MPa。而當(dāng)r=0.3時(shí)，經(jīng)熱處理消除殘余應(yīng)力的試樣疲勞強(qiáng)度為260MPa，反而略低于未熱處理的試樣(270MPa)。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是：在r值較高時(shí)，例如在脈動(dòng)載荷下(r=0)，疲勞強(qiáng)度較高，在較高的拉應(yīng)力作用下，殘余應(yīng)力較快地得到釋放，因此殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響就減弱；當(dāng)r增大到0.3時(shí)，殘余應(yīng)力在載荷作用下，進(jìn)一步降低，實(shí)際上對(duì)疲勞強(qiáng)度已不起作用。而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)又軟化了材質(zhì)，因而使得疲勞強(qiáng)度在熱處理后反而下降。這一試驗(yàn)比較好地說(shuō)明了殘余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。即在循環(huán)特性值較低時(shí)，影響比較大。    

     前面指出，由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達(dá)到材料屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力，因此在常幅施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中，焊縫附近所承受的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)將是由材料的屈服點(diǎn)向下擺動(dòng)，而不管其原始作用的循環(huán)特征如何。例如標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)為+S₁到-S₂，則其應(yīng)力范圍應(yīng)為S1+S2。但接頭中的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)范圍將是由S_y(屈服點(diǎn)的應(yīng)力幅)到S_y-(S₁+S₂)。這一點(diǎn)在研究焊接接頭疲勞強(qiáng)度時(shí)是非常重要的，它導(dǎo)致了一些設(shè)計(jì)規(guī)范以應(yīng)力范圍代替了循環(huán)特征r。

     此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，試件的尺寸大小、加載方式、應(yīng)力循環(huán)比、載荷譜也對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大的影響。

       焊接接頭疲勞裂紋一般啟裂位置存在于焊根和焊趾兩個(gè)部位，如果焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險(xiǎn)被抑制，焊接接頭的危險(xiǎn)點(diǎn)則集中于焊趾部位。許多方法可以用于提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

     ① 減少或消滅焊接缺欠特別是開(kāi)口缺陷；

     ②改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；

     ③調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場(chǎng)。這些改進(jìn)方法可以分為兩大類(lèi)，如表1所示。

     焊接過(guò)程優(yōu)化方法不僅是針對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度而考慮，同時(shí)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度、焊接接頭的冶金性能等各方面都有極大的益處，這方面的資料很多在此不多贅述。

表1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的改善方法

     下面從工藝方法角度考慮分三部分詳細(xì)論述改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要方法。

3.1 改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中方法

1) TIG熔修

     國(guó)內(nèi)外的研究均表明，TIG熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過(guò)渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過(guò)渡。減少了應(yīng)力集中，同時(shí)也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲勞強(qiáng)度提高。

     熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5~1.5mm處，并要保持重熔部位潔凈，如果事先配以輕微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時(shí)，如何處理重新起弧的方法，因?yàn)檫@勢(shì)必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國(guó)際焊接學(xué)會(huì)組織歐洲一些國(guó)家和日本的一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國(guó)焊接研究所制備的試樣進(jìn)行了—些改善接頭疲勞強(qiáng)度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實(shí)經(jīng)該方法處理后該接頭的2×106循環(huán)下的標(biāo)稱(chēng)疲勞強(qiáng)度提高58%，如果將得到的211MPa的疲勞強(qiáng)度標(biāo)稱(chēng)值換算成相應(yīng)的特征值(K指標(biāo)) 為144MPa。它已高出國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度中的最高的FAT值。

2) 機(jī)械加工

      若對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)提高，當(dāng)焊縫不存在缺陷時(shí)，接頭的疲勞強(qiáng)度可高于基本金屬的疲勞強(qiáng)度。但是這種表面機(jī)械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實(shí)能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴(yán)重缺陷和不用底焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機(jī)械加工是毫無(wú)意義的。如果存有未焊透缺陷，因?yàn)槠诹鸭y將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機(jī)加工反而往往會(huì)降低接頭疲勞強(qiáng)度。

     有時(shí)不用對(duì)整體焊縫金屬進(jìn)行機(jī)加工，而只需對(duì)焊趾處采用機(jī)械加工磨削處理，這種做法亦能大幅度提高接頭疲勞強(qiáng)度。研究表明，在這種情況下，起裂點(diǎn)不是在焊趾處，而是轉(zhuǎn)移到焊縫缺陷部位。

    前蘇聯(lián)Makorov對(duì)高強(qiáng)鋼(抗拉強(qiáng)度σb=1080MPa)橫向?qū)雍缚p的交變載荷的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)表明，在焊態(tài)條件下2×106循環(huán)次數(shù)時(shí)疲勞強(qiáng)度為±150MPa，如果對(duì)焊縫進(jìn)行機(jī)械加工處理，除去余高，則疲勞強(qiáng)度提高到±275MPa，這已與基本金屬的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)。但如果對(duì)焊趾處進(jìn)行局部磨削加工，其疲勞強(qiáng)度為±245MPa，它是機(jī)加工效果的83%，與焊態(tài)相比，疲勞強(qiáng)度提高65%，當(dāng)然不論是采用機(jī)加工方法，還是磨削方法，如果不能仔細(xì)按要求進(jìn)行，以便保證加工效果，疲勞強(qiáng)度的提高是有限的。

3) 砂輪打磨

     采用砂輪磨削，雖然其效果不如機(jī)械加工，但也是一種提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的有效方法。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦采用高速電力或水力驅(qū)動(dòng)的砂輪，轉(zhuǎn)速為(15000~40000)/min，砂輪由碳-鎢材料制作，其直徑應(yīng)保證打磨深度半徑應(yīng)等于或大于1/4板厚。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的研究表明，試樣經(jīng)打磨后，其2×106循環(huán)下的標(biāo)稱(chēng)疲勞強(qiáng)度提高45%，如果將得到的199MPa疲勞強(qiáng)度標(biāo)稱(chēng)值換算成相應(yīng)的特征值(135MPa)它也高于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的接頭細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度中的最高的FAT值。要注意的是磨削方向應(yīng)與力線方向一致，否則在焊縫中會(huì)留下與力線垂直的刻痕，它相當(dāng)于應(yīng)力集中源，起到降低接頭疲勞強(qiáng)度的作用。

4) 特種焊條方法

     本方法是研制了一種新型的焊條，它的液態(tài)金屬和液態(tài)熔渣具有較高的溶濕能力，可以改善焊縫的過(guò)渡半徑，減小焊趾角度，降低焊趾處的應(yīng)力集中程度，從而提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。與TIG熔修的缺點(diǎn)相類(lèi)似，它對(duì)焊接位置具有較強(qiáng)的選擇性，特別適合于平焊位置和平角焊，而對(duì)于立焊、橫焊和仰焊，它的優(yōu)越性就顯著降低了。

3.2 調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法

1) 預(yù)過(guò)載法

      假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其附近發(fā)生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點(diǎn)的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗(yàn)中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過(guò)載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，大型焊接結(jié)構(gòu)(如橋梁、壓力容器等)投入運(yùn)行前需進(jìn)行一定的預(yù)過(guò)載試驗(yàn)，這對(duì)提高疲勞性能是有利的。

2) 局部加熱

     采用局部加熱可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，即在應(yīng)力集中處產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，因而對(duì)提高接頭疲勞強(qiáng)度是有利的。這種方法目前限用于縱向非連續(xù)焊縫，或具有縱向加筋板的接頭。

      對(duì)于單面角接板，加熱位置一般距焊縫約為板寬的1/3，對(duì)于雙面角接板情況加熱位置為板件中心。這樣可以保證在焊縫內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而可以提高接頭的疲勞強(qiáng)度。不同研究者應(yīng)用該方法得到的效果有所不同，對(duì)單面角接板，提高疲勞強(qiáng)度145-150%，對(duì)雙面角接板，提高疲勞強(qiáng)度70-187%。

     局部加熱位置對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度有重要的影響，當(dāng)點(diǎn)狀加熱是在焊縫端部處兩則進(jìn)行時(shí)，則在焊縫端部的缺口處引起了壓縮殘余應(yīng)力，結(jié)果疲勞強(qiáng)度提高53%；但是當(dāng)點(diǎn)狀加熱是在焊縫端部試樣中心進(jìn)行時(shí)，距焊縫端部距離是相同的，這雖然產(chǎn)生了同樣的金相組織影響，但由于殘余應(yīng)力為拉伸殘余應(yīng)力，則所測(cè)量到的接頭疲勞強(qiáng)度與非處理試樣相同。

3)  擠壓法

     局部擠壓機(jī)制與點(diǎn)狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應(yīng)力提高接頭疲勞強(qiáng)度。但是其作用點(diǎn)是不同的，擠壓位置應(yīng)位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的位置。高強(qiáng)鋼試樣采用擠壓法其效果比低碳鋼更為顯著。

4)  Gurnnert's方法 

     由于有時(shí)難以準(zhǔn)確地確定局部加熱法的加熱位置和加熱溫度，為了獲得滿(mǎn)意效果，Gunnert提出一種方法，該方法的要點(diǎn)是直接向缺口部位而不是附近部位加熱到能產(chǎn)生塑性變形但低于相變溫度55℃的溫度或550℃，然后急劇噴淋冷卻之。由于表層下金屬和其周?chē)词車(chē)娏艿慕饘倮鋮s的較晚，待其冷卻時(shí)收縮將在已冷卻表面上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。藉此壓縮應(yīng)力即可提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。需要注意的是：為了使底層亦達(dá)到加熱目的，加熱過(guò)程要緩慢些，Gunnert建議加熱時(shí)間為3min，而Harrison建議加熱時(shí)間為5min。

      Ohta采用此方法成功的防止了對(duì)接管道內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋。具體方法是管道外部采用感應(yīng)法加熱，里面用循環(huán)水冷卻。因此在管道內(nèi)部產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，因而有效地防止了疲勞裂紋在管道內(nèi)部產(chǎn)生。處理后對(duì)接焊縫管道的疲勞裂紋擴(kuò)展速率大為降低，達(dá)到與母材相同的裂紋擴(kuò)展速率。

3.3 降低應(yīng)力集中和產(chǎn)生壓縮應(yīng)力兼而有之的方法

1) 錘擊法

     錘擊法是冷加工方法，其作用是在接頭焊趾處表面造成壓縮應(yīng)力。因此，本方法的有效性與在焊趾表面產(chǎn)生的塑性變形有關(guān)；同時(shí)錘擊還可以減少存在的缺口尖銳度，因而減少了應(yīng)力集中，這也是大幅度提高接頭疲勞強(qiáng)度的原因。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的氣錘壓力應(yīng)為5~6Pa。錘頭頂部應(yīng)為8~12mm直徑的實(shí)體材料，推薦采用4次沖擊以保證錘擊深度達(dá)0.6mm。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)最近的工作表明，對(duì)于非承載T形接頭，錘擊后其2×106循環(huán)下接頭疲勞強(qiáng)度提高54%。

2) 噴丸

      噴丸是錘擊的另一種形式，也屬?zèng)_擊加工的方法。噴丸的效果依賴(lài)于噴丸直徑尺寸，噴丸尺寸不應(yīng)過(guò)大，以使其能處理微小的缺陷。同時(shí)，噴丸尺寸亦不應(yīng)過(guò)小，以保證一定的冷作硬化性能，噴丸一般可在表面上的千分之幾毫米的深度上發(fā)生作用。研究結(jié)果表明，噴丸能顯著地提高高強(qiáng)鋼接頭的疲勞強(qiáng)度，噴丸對(duì)氬弧焊高強(qiáng)鋼材料具有突出的效果，其程度甚至高于TIG熔修。同時(shí)TIG熔修配以噴丸錘擊，則其效果更為顯著。

4.1 超聲沖擊處理方法

     近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的超聲沖擊提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的方法，其機(jī)理與錘擊和噴丸基本一致．但這種方法執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪音極小、效率高、應(yīng)用時(shí)受限少，成本低而且節(jié)能，適用于各種接頭，是一種理想的焊后改善焊接接頭疲勞性能的方法。對(duì)幾種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼的對(duì)接和非承載縱向角接頭實(shí)施超聲沖擊處理，然后進(jìn)行了焊態(tài)與沖擊處理的對(duì)比疲勞試驗(yàn)，研究了超聲沖擊法改善焊接頭疲勞強(qiáng)度的實(shí)際效果，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，焊接接頭經(jīng)超聲沖擊處理后，疲勞強(qiáng)度提高了50~170%，效果十分顯著。

表2 超聲沖擊處理前后的疲勞強(qiáng)度對(duì)比

4.2 低相變點(diǎn)焊條方法

4.2.1 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度原理和發(fā)展

壓縮應(yīng)力可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，已有大量的文獻(xiàn)論述，然而問(wèn)題是如何在焊接接頭中較方便的引入壓縮應(yīng)力。

     眾所周知，由于化學(xué)成分、合金含量和冷卻速度不同，鋼鐵材料在冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變或多次的組織轉(zhuǎn)變，這一組織轉(zhuǎn)變伴隨有體積膨脹，在拘束條件下將會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力，屬于壓縮應(yīng)力。對(duì)于焊縫金屬來(lái)說(shuō)，這將有利于殘余拉伸應(yīng)力的降低甚至出現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力，從而改善焊接接頭的力學(xué)性能。低相變點(diǎn)焊條（Low Transformation Temperature Welding Electrode, LTTE）就是一種利用相變應(yīng)力在焊接接頭中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的新型焊接材料。

     早在60年代，前蘇聯(lián)焊接專(zhuān)家就提出了低相變點(diǎn)焊條方法能夠提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有提出“低相變點(diǎn)焊條”的概念，只稱(chēng)其為一種特殊焊條其堆焊金屬成分主要依靠3-4%的Mn含量來(lái)降低相變點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)冶金相變。文獻(xiàn)指出，選用這些特殊的焊條，對(duì)小試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，用這些焊條堆焊之后的疲勞強(qiáng)度要高于未堆焊試驗(yàn)75%。

     近幾年，依靠Cr和Ni降低焊接材料熔敷金屬的馬氏體相變點(diǎn)，并由于超低碳鋼材的發(fā)展，低相變點(diǎn)焊條得到了快速的發(fā)展，日本和中國(guó)在這方面進(jìn)行了大量的研究，但目前仍然在實(shí)驗(yàn)室階段。

4.2.2 LTTE焊條改善疲勞強(qiáng)度的效果

      天津大學(xué)材料學(xué)院設(shè)計(jì)和優(yōu)化研制了低相變點(diǎn)焊條，并在各種焊接接頭上進(jìn)行了大量的疲勞試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)。

（1）LTTE方法

     采用低相變點(diǎn)焊條LTTE和普通焊條E5015分別對(duì)橫向?qū)咏宇^、非承載十字接頭、縱向環(huán)繞角焊縫接頭、縱向平行角焊縫接頭和縱向?qū)咏宇^施焊，并進(jìn)行疲勞對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，相變點(diǎn)焊條LTTE接頭的疲勞強(qiáng)度分別比普通焊條E5015接疲勞強(qiáng)度提高11%、23%、42%、46%、59%，疲勞壽命提高幅度從幾倍到上百倍。

表3 不同類(lèi)型焊接接頭疲勞強(qiáng)度的改善效果

     由于低相變點(diǎn)焊條是在較低溫度下發(fā)生馬氏體相變體積膨脹而獲得的殘余壓縮應(yīng)力，因此殘余壓縮應(yīng)力的大小與焊接接頭拘束度有較大關(guān)系，拘束度越大，其殘余壓縮應(yīng)力越大，疲勞強(qiáng)度的提高效果也越大。

（2）低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修（LTTE-dressing）方法

     然而，為使焊縫金屬在正常的冷卻速度下和在較低的溫度下發(fā)生馬氏體相變，焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點(diǎn)焊接材料的成本提高許多。如果一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的全部焊縫都采用低相變焊接材料進(jìn)行施焊，焊接結(jié)構(gòu)的成本也將大幅度增加，這是很不經(jīng)濟(jì)的。

     眾所周知，焊接接頭疲勞斷裂主要從焊趾部位開(kāi)裂，如果使焊接接頭的焊趾部位產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，則可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，而并不需要全部采用低相變點(diǎn)焊條，這樣可以降低使用成本。從這一思路考慮，天津大學(xué)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法。采用非承載十字接頭和縱向環(huán)繞角焊縫接頭兩種接頭類(lèi)型，分別對(duì)比了低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)和普通焊條焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，前者的疲勞強(qiáng)度分別比后者提高19.9%和41.7%，證明了這一思路的可行性和實(shí)用性，為低相變點(diǎn)焊條LTTE更合理的在工程實(shí)際中應(yīng)用進(jìn)行了前期試驗(yàn)研究，同時(shí)低相變點(diǎn)焊條焊趾熔修(LTTE-dressing)接頭也可以反映低相變點(diǎn)焊條在蓋面焊縫和近焊趾蓋面焊道的應(yīng)用情況。

4.2.3 低相變點(diǎn)焊條的的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

     (1)低相變點(diǎn)焊條焊接方法是隨同焊接過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，避免了焊后加工處理的不方便；

     (2)低相變點(diǎn)焊條方法無(wú)需特殊的操作要求，因而操作簡(jiǎn)單方便；

    (3）低相變點(diǎn)焊接材料用于提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度，由于不受后續(xù)焊道熱作用的影響，它更適合于隱蔽焊縫、被覆蓋焊縫、單面焊的背面焊縫等不能進(jìn)行焊后加工處理的焊縫的疲勞強(qiáng)度提高；

   （4）LTTE焊條還可以用于焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的修復(fù)。

缺點(diǎn)：

     焊接材料中加入了較多的合金元素，從而使得低相變點(diǎn)焊接材料的成本提高，但可以通過(guò)LTTE-dressing等方法加以彌補(bǔ)。

     綜上所述，可見(jiàn)近年來(lái)由于焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)其承受動(dòng)載能力的要求越來(lái)越高，因此發(fā)展及推廣應(yīng)用改善焊接接頭疲勞性能的新技術(shù)對(duì)推動(dòng)焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用意義重大。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)外最新發(fā)展起來(lái)的超聲沖擊技術(shù)以及使用低相變點(diǎn)焊接材料來(lái)提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法是焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能改善技術(shù)與工藝的重要研究方向。